[논문]초음속 유도탄 공력가열 예측

선철; 안창수

초음속 유도탄 공력가열 예측
PREDICTION OF AERODYNAMIC HEATING ON A SUPERSONIC MISSILE 원문보기

선철 (국방과학연구소) , 안창수 (국방과학연구소)

Aero-Heating phenomenon is one of the severe problems occurring in high speed missile flight. in the high speed flight, not only stagnation point but also aft body parts encounter high temperature related structural problems. But the phenomenon is not easy to predict accurately because unsteady calculation according to a flight trajectory is needed, and takes much time. In this Paper, a fast and precise scheme is introduced, which calculates heat flow and temperature by simple pressure field prediction on a missile.

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문제 정의

본 논문은 초음속 영역을 비행하는 유도탄의 궤적에 따른공력가열 해석에 관한 것이다. 유동장은 유도탄의 자세각 변화를 고려하여 3차원적으로 수행하였으며, 충격파 이론을 적용하여 계산시간을 단축시켰고 표면에서의 공력가열량은 Eckert의 기준 엔탈피(Reference Enthalpy) 방법μ]을 사용하였다.

가설 설정

해당하는 면은유동으로부터의 공력 가열량을 경계조건으로 사용하고, 이방재질과 접촉하지 않는 면(비접촉면)은 단열경계조건, 그리고이방재질과 접촉하는 면(접촉면)은 접촉에 의한 열전달 조건을 적용한다. 접촉면에서의 두 재질의 온도는 접촉 열저항에의해 실제적으로 다르지만 접촉 열저항을 구하는 일이 쉽지않으므로 본 연구에서는 접촉면에서의 온도가 같다고 가정하였다.

제안 방법

공력가열은 크게 대류와 방사열전달로 구분되는데, 본 연구에서는 고온에 의해 유체가 해리되었을 때 발생하는 방사열전달은 제외하고, 경계층에서의 온도구배에 의한 대류열전달과 벽면 방사열전달(Radiative wall cooling 또는 wall radiation)만을 고려하였다. 대류 열전달은 Eckert의 기준 엔탈피를 사용하는 방법[1]으로 층류와 난류의 경우 그 계수는 각각 식 (1), (2)와 같다.
천이의 예측은 NAR(North American Rockwell)[2]에서 제시한 자료를 이용하였다. 구조물 내부의 고체열전달도 3차원으로 모델링하였다.
본 연구에서는 NAR[2]에서 제시한 자료를 이용하여 유동의 천이를 모델링하였으며, 아래의 관계식에 의해 천이 강도를 산출하였다.

대상 데이터

유동장은 유도탄의 자세각 변화를 고려하여 3차원적으로 수행하였으며, 충격파 이론을 적용하여 계산시간을 단축시켰고 표면에서의 공력가열량은 Eckert의 기준 엔탈피(Reference Enthalpy) 방법μ]을 사용하였다. 천이의 예측은 NAR(North American Rockwell)[2]에서 제시한 자료를 이용하였다. 구조물 내부의 고체열전달도 3차원으로 모델링하였다.

이론/모형

비행체 구조물에서의 열전달은 3차원 열전달 방정식을 적용하였다. 고체 내부에서 일어나는 열전달을 지배하는 방정식은 다음과 같다.
해석에 관한 것이다. 유동장은 유도탄의 자세각 변화를 고려하여 3차원적으로 수행하였으며, 충격파 이론을 적용하여 계산시간을 단축시켰고 표면에서의 공력가열량은 Eckert의 기준 엔탈피(Reference Enthalpy) 방법μ]을 사용하였다. 천이의 예측은 NAR(North American Rockwell)[2]에서 제시한 자료를 이용하였다.

성능/효과

제시된 기법과 방법을 사용하여 공학적으로 필요한 수준의정밀도로 온도가 예측되는 결과를 얻을 수 있었으며, 이를 활용하여 복잡한 형태의 부재에 대한 온도 변화도 빠르게 예측할 수 있었다. 이는 체계 개발을 위한 공력 가열 해석 업무수행에 매우 유용한 것으로 평가된다.

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